郑州大学/香港大学:在纳米金刚石中的非晶化诱导塑性变形领域取得又一突破

金刚石由sp³共价碳键组成，以其卓越的硬度、热导率和宽禁带等特性而闻名，然而其本征脆性严重限制了变形和加工能力。金刚石长期以来被认为是不可变形的最硬天然材料，这主要归因于其强方向性的C-C sp³共价键。尽管金刚石在力学、光电子、生物医学和光子学等领域具有广泛应用前景，但高脆性和几乎不可变形的特性严重制约了其潜在应用。

在块体和亚微米尺度上，材料的塑性变形通常由位错的产生和迁移主导；而在纳米尺度上，材料通常表现出低位错密度，在某些情况下甚至因位错从表面逃逸而完全不存在缺陷。此前研究表明，当金刚石尺寸减小到几百纳米时，可以发生弹性和塑性变形，但其塑性变形机制仍主要由位错的产生和运动控制。对于亚10纳米尺度的材料，其塑性变形行为和机制预计会偏离块体和亚微米尺度观察到的现象，这为探索新型变形机制提供了重要平台。

研究内容

在这项研究中，研究人员利用自主设计的原位透射电子显微镜力学样品杆，在室温下对亚10纳米金刚石纳米颗粒进行了力学实验，发现了非晶化介导的超大塑性变形现象。

研究团队通过爆炸法制备了直径小于10纳米的金刚石纳米颗粒，并使用王水清洗以确保纯度。实验采用频率调制方法测量纳米颗粒的刚度，通过耗散能分析识别塑性变形。结果表明，纳米金刚石可被压缩至接近单原子层厚度，压缩应变超过90%而不断裂。这种塑性变形由相互连接的非晶碳网络的形成所主导，该网络能够容纳应力并实现晶粒的协同旋转和滑动，而非传统的位错运动或晶相转变机制。

研究还发现明显的尺寸依赖性转变：仅在直径小于约13纳米的纳米金刚石中发生超大塑性变形，而较大的金刚石则以脆性方式变形。分子动力学模拟进一步证实了实验观察到的非晶化介导的塑性变形机制，显示非晶碳形成连续的超薄层，将晶域分割成纳米晶粒。

该研究成功揭示了亚10纳米金刚石在室温下的非晶化介导超大塑性变形机制，为纳米尺度力学和金刚石基纳米制造提供了重要见解。研究发现，当金刚石纳米颗粒尺寸足够小以形成贯穿结构的亚纳米非晶网络时，材料可从脆性转变为韧性，实现超过90%的压缩应变而不发生断裂。这种变形机制 fundamentally不同于传统位错介导的塑性变形，而是通过晶态-无序转变实现，其中长程金刚石晶格在高压应力下局部坍塌形成亚稳非晶相。该研究还展示了基于非晶化诱导超大塑性变形的尺寸诱导冷焊接现象，两个相邻金刚石纳米颗粒可在压缩下逐渐融合为单个大纳米颗粒，实现无需熔化或外部加热的冷焊接和结构融合。这一发现为金刚石材料的纳米级加工和组装提供了高精度途径，对纳米机电系统、量子信息处理器和下一代纳米电子器件等先进应用具有重要价值，同时也为增强其他脆性陶瓷的塑性变形提供了更广泛的框架。

图 1. 测量系统及样品特性分析。a 实验装置示意图。金刚石纳米粒子（NPs）被夹持在两个固定在钨（W）导线末端的金刚石压头之间。一根导线连接到石英长度扩展谐振器（LER），另一根钨导线固定在支架框架上。LER 一侧金刚石压头的位置通过一个管式压电元件在三维空间内进行控制。b 金刚石纳米粒子的电子能量损失光谱（EELS）图像。c 由于 sp3 键合导致从 σ* 轨道跃迁而产生的 286 - 336 eV 范围内 EELS 信号的分布。d 由于存在 sp2 结构而从 π* 轨道跃迁产生的 283 - 285 eV 范围内 EELS 信号的分布。黏合。由于硅氮化物衬底中的氮元素的影响，其能量范围为 392 - 432 eV。f 三个区域（包含金刚石纳米颗粒、衬底及其重叠部分）的电子能量损失谱，展示了相应的碳 K 能级和氮 K 能级特征 59 。强度以任意单位（a.u.）表示。

图 2.金刚石纳米粒子的塑性变形过程。该纳米粒子经过四次压缩以研究其变形机制。a-e、f-j、k-o 和 p-t 分别展示了第一次、第二次、第三次和第四次压缩周期的透射电子显微镜图像以及相应的力-位移响应图。g-i 中的虚线突出显示了压缩过程中的无定形区域。l-n 中的虚线标记了由无定形碳网络将纳米粒子分割成小颗粒的位置。A-D、F-I、K-M 和 P-S 在 e、j、o 和 t 中的标注对应于 a-e、f-j、k-o 和 p-t 的透射电子显微镜图像采集时刻。分别地；各自地刻度标尺的长度为 3 纳米。

图 3.金刚石纳米粒子压缩的分子动力学模拟及其相应的力响应情况。a-i 金刚石纳米粒子在压缩过程中的提取结构。蓝色球代表金刚石中的碳原子，白色球代表非晶态碳原子。本地的非晶化过程随着非晶区域的扩大而进行，这些区域将纳米颗粒包裹成小的金刚石颗粒，并最终导致完全的非晶化，标尺为 2 纳米。J 模拟应力应变曲线，该曲线考虑了压缩过程中横截面的变化。A - I 分别对应于分子动力学模拟中提取的结构（a - i）。K 金刚石纳米颗粒在 0%、19%、38%、56%、75% 和 87% 压缩应变下的径向分布函数（RDF）分析。RDF 的演变表明，随着压缩的进行，非晶碳含量逐渐增加，证实了应变诱导的结构转变。

图 4.根据应变情况对 sp²/sp³ 变化的能谱成像。a - b 为纳米粒子在压缩前后的透射电子显微镜图像（相同比例）。比例尺为 2 纳米。c 在不同应变水平下获取的碳 K 能边电子能量损失光谱（EELS），显示 π* 峰强度逐渐增加，表明逐步形成的 sp² 键。展示了在压缩过程中金刚石纳米粒子的 d-g EELS 光谱图像以及 π*/σ* 偶合态映射。286 - 336 eV 范围内的 EELS 信号对应于由 sp³ 偶合产生的 σ* 轨道的跃迁（红色），而 283 - 285 eV 的信号则对应于与 sp² 偶合相关的 π* 轨道的跃迁（绿色）。标尺为 3 纳米。

图 5. 小于 10 纳米的金刚石纳米颗粒的压缩塑性机制及其在纳米级组装中的应用。变形阶段包括：a 原始纳米颗粒发生弹性变形。b 非晶化的开始。c 非晶化区域的扩展和增多。d 细小晶粒的形成和移动。e 纳米颗粒的完全非晶化。f 一个压缩至原子层厚度的金刚石纳米颗粒的超大塑性变形，比例尺为 3 纳米。g - I 原子力显微镜图像及相应的图示展示了在压缩作用下两个金刚石纳米颗粒融合成一个纳米颗粒，突显了其在纳米级金刚石器件制造中的潜在应用。比例尺为 3 纳米。在原子力显微镜图像中，红色虚线轮廓表示非晶化区域，蓝色虚线轮廓表示晶格条纹，“┬”标记表示位错。在示意图中，压缩系统的紫色和米色部分分别表示可移动的金刚石压头和固定的金刚石压头。

参考文献：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-70189-6.

单崇新教授简介

单崇新教授1999年本科毕业于武汉大学，2004年博士毕业于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。2004年到2008年先后在香港中文大学和英国诺丁汉大学进行博士后研究。2008年以“引进国外杰出人才”身份回国，进入中科院长春光学精密机械与物理研究所工作。2015年入职郑州大学。近年来一直从事金刚石光电材料与器件研究，已发表SCI论文260余篇，被SCI他引5600余次。获国家杰出青年基金、长江学者特聘教授、中国青年科技奖、中原学者、中组部万人计划“青年拔尖人才”、人社部“百千万人才工程”及国家有突出贡献中青年专家、河南省杰出专业技术人才、河南省五四青年奖章、河南省创新争先奖状、河南省优秀科技专家等奖励和荣誉。

程少博教授简介

程少博，郑州大学物理学院教授，长期从事原位透射电子显微学等相关领域的研究，近几年在Science, PNAS, Nature Communications 等期刊共发表学术论文70余篇，其中第一作者或通讯作者发表论文和专著共30余篇，包括Science Advances, PNAS（3篇）, Physical Review Letters（封面文章）, Advanced Functional Materials, Nano Letters等。2021年入选了国家级人才计划青年项目（海外），2021年获得美国能源部前沿研究中心的杰出冯诺依曼博士后奖，2020年获得美国电子显微学会Postdoctoral Award, 2017年获得清华大学优秀博士学位论文奖，博士论文被选编入清华大学优秀博士论文丛书并出版发行。目前担任美国物理学会（APS）期刊的青年仲裁编辑，及其他国际期刊的青年编委。

文献链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-70446-8

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来源： 先进半导体器件

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